Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Спектрально-кинетические характеристики индуцированной лазером флуоресценции листа хлопчатника

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Спектрально-кинетические характеристики индуцированной лазером флуоресценции листа хлопчатника"

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ И БИОФИЗИКИ

РГ5 ОД

2 MAP 139В jja Правах рукописи

АГИШЕВ Владимир Саидович

УДК 528.004.6

спектрально-кинетические характеристики индуцированной лазером флуоресценции

листа хлопчатника

03.00.02 — Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Ташкент — 1997

Работа выполнена в Институте физиологии и биофизики АН РУз. Лаборатория биофизики мембран.

Научный консультант:

академик Б. А. ТАШМУХАМЕДОВ

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, проф. Б. А. САЛАХУТДИНОВ кандидат биологических наук Р. Р. АЗИМОВ

Ведущая организация: Ташкентский Государственный Университет им. М. Улугбека.

Защита состоится «*?£-» * СгЛ"/ 1998 года

в ^ часов на заседании Специализированного совета Д 015.01.01. по защите диссертации на соискание ученой степени доктора наук при Институте физиологии и биофизики АН РУз по адресу: 700095, Ташкент, ул. Ниязова, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физиологии и биофизики АН РУз.

Автореферат разослан ^ » е-ЛУг.

Ученый секретарь Специализированного совета

д.б.н. Д. КАЛИКУЛОВ

ОПЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее времч интенсивно развиваются методы диагностики физиологического состояния растении, ечттпапиме на измерении их оптических характеристик. Преимущества этих методов, по сравнению с традиционными, заключаются и возможности быстрой, дистанционной оценки состояния посевов иа больших площадях, автоматизации процесса измерения, определения таких характеристик физиологического состояния и патологии, которые до этого опред'.'.чя-лись с помощью специально!! аппаратуры и реактивов. К числу таких перспективных методов относится индуцированная спетом флуоресценция хлорофилла растений, отражающая характеристики их фотосинтетического аппарата, которая позволяет использовать ее для дистанционного контроля-их физиологического состояния [Höge, 1983; Власов, 1986; Agati, 1993].

Изменение флуоресценции хлорофилла может быть обусловлено самыми разнообразными факторами: загрязнением окружающей среды, дефицитом питательных элементов, нарушением водного режима, инфицирование грнбами-гсдтогепами, влиянием гербицидов, температуры и др. [Navaux, 1985; Lichtcnthaler, 1987: Караваев, Юдина, 1990; Агишев и др. 1993; Гаевскнй, Моргун, 1993].

Несмотря на то что, дистанционное зондирование фотосингетпче-ского аппарата растений получило достаточно широкое распространение, оценка спектральных характеристик индуцированной ла:сроч флуоресценции (ИЛФ) все еще находится иа начальной стадии разрл-боткн. В этом методическом подходе недостаточно разработаны вопросы интерпретации спектров флуоресценции, влияния на характеристики флуоресценции различных факторов, непосредственно пе обусловленных физиологическим состоянием растений, таких как угол падения зондирующего излучения, характер подстилающей поверхности, время суток и др. [Гачковский, 1986].

Учитывая перспективность вышеуказанного метода дистанционной диагностики растений и то, что для Узбекистана основной сельскохозяйственной культурой является хлопчатник, были определены цель и задачи настоящей работы.

Цель ¡иоои,!. Разработка основ практического применения метода индуцированной лазером флуоресценции хлорофилла для дистанционной оценки физиологического состояния растении хлопчатника.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать макет экспериментальной установки дмя исследования характеристик ИЛФ растений в натурных условиях;

2. Исследовать влияние на характеристики ИЛФ листа хлопчатника:

а) угла падения зондирующего излучения на лист,

б) харак тера подстилающей поверхности листьев,

с) времени суток,

д) этапов вегетативного развития растении,

е) искусственного водного дефици та,

ж) обработки растений дефолиантом.

Нлучили новизна. Впервые разработан макет универсальной установки для измерения ИЛФ растений, позволяющий регистрировать ИЛФ как в лабораторных, так и в полевых условиях, в которой предусмотрена возможность измерении спектров при различных углах падения зондирующего излучения (0-75°) и.расстояниях до объекта (3- 30 м).

Впервые установлено, что при применении метода ИЛФ в полотых условиях, для корректной интерпретации результатов, необходимо учитывать влияние на спектрально-кинетические характеристики таких факторов как, срок вегетации, время суток, характер подстилающей поверхности.

Показана возможность использования метода ИЛФ для диагностики у растений водного дефицита и ранней-диагностики эффективности проведения дефолиации у хлопчатника.

Научно-практическое значение работы. Результаты проведенной работы создают теоретические предпосылки дня практического использования метода ИЛ'Ф для дистанционной диагностики физиологических состояний хлопчатника и расширяют представление о функционировании его фотосинтетнчсского аппарата.

Апробация полученных результатов. Результаты работы доложены на 1 съезде физиологов растений Узбекистана (Ташкент, 1991); Республиканской конференции "Оценка воздействия промышленных выбросов на наземную рас гитслыюсть" (Ташкент, 1993);

Научной конференции no современным нробнем:»-- oíi'ireii физиологии ii биофизики (Ташкспг, 1<?93); па ссяииярах лаборатории биофизики мембран Института физиологии и бтфшки А И РУз.

Публикация результате» исследог.анлн. По теме диссертации опубликовано 4 статьи п 5 тезисных сообщении.

Объём п структура работы. Диссертационная работа изложена на 132 страницах (включая список литературы, иллюстрации и нрило:к-> иие), содержит 4таблицы, 33 рисунка, 1 приложение и состоит из »веления, обзора литературы, описания методов исследования, i«-v¿o;i:cirm*. результатов и их обсуждения. Список литературы включает ¡64 ссылки на работы отечест венных и зарубежных авторов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили на нитактных листьях хлопчатника сорта 108-Ф или на целых растениях иа установке, разработанной нами длл измерения ИЛФ. [Лппаев и др., 1989]. Излучатель - лазер ЛГИ-503, длина волны возбуждающего спета 438 им, мощность излучения 70 мВт, диаметр светового пупка i см. Приёмник - телескоп системы "Иыотои" с диаметром рабочего зеркала 110 мм.

Спектральную селекцию сигнала штудированной лазером флуоресценции хлорофилла осущестзляли с помощью дифракционной решетки моиохроматора МУМ. Исследуемый образец располагали им расстоянии 4 м от приемног о отверстия телескопа. С выходной щели моиохроматора излучение попадало иа ФЭУ-79 с нредусилителем. Работ; всего комплекса осуществлялась под контролем ПЭВМ. Программным путем задавались режим работы лазера, развертка моиохроматора по спектру, вывод результатов.

Все измерения проводились при естественном освещении. Часть экспериментов проводилась непосредственно с растениями хлопчатника, выращенными на опытной делянке Института физиологии и биофизики АН РУз.

Содержание пигментов в листьях определяли спектрометрически в ацетоновых экстрактах {Шлык, 1977].

Кинетику замедленной флуоресценции измеряли на длине волны >85 нм.

з

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование ышиши угла падении зондирующего излучении на спектральные характеристики ИЛФ хлопчатника

На ри'с.1 представлены спектры ИЛФ листьев хлопчатника, полученные при различных углах падения зондирующего излучения.

300

200

100

I от.ед.

(Т ; г I т ги > ■ 11»11«1 м I 11111 II м < пи

660 660 700 720

740

Рис.1. Спектры люминесценции листьев хлопчатника в зависимости от угла •

падения а зондирующего излучения: Е-а = 0°; Д-а= 15°; * - а = 30"; 0 - а = .45" ; + - а = 60°.

Рис.2. Диаграмма направленности ИЛФ. А - длина волны 685 им; и - длина полны 740 нм.

С увеличением угла падения интенсивность ИЛФ уменьшается. Увеличивается соотношение между коротковолновой и длинноволновой областью спектра (отношение изменяется от 3.67 при а = 0° до 5.16 при а = 60°). .

Анализ диаграммы направленности излучения ИЛФ (рнс. 2) показал, что она имеегг вид не характерный для диффузно рассеивающего слоя. Очевидно, эпидермис действуег как мозаика мшеролин:!, которые фокусируют свсг внутри полисадкого слоя.

Максимальные изменения п диаграмме направленности дня различной длины паблюдакпеа, начиная с угла -(5" и досинтиот 26% при угле 60''. Эю явление, вероятно, смгаио с нигерференпнсй ИЛФ н к\ гику.пе листа, имеющем слоистое строение [Фотосинтез, ИЯ7 ], что и обуславливает изменении формы спектра ИЛФ.

Таким образом, роль -кутикулы и эпидермиса растений заключается не только п стабилизации »одного баланса .чиста и зашнш ннуг-репнпх структур, по и л создании оптимальных условии для усвоения энергии падающего света.

' Исследование зависимостей интенсивности ИЛФ от угла падения для различных длин воли показало, что они могут быть аирокси-мнрованиы линейными функциями:

Ш/ 1п?.1 = ат-а + в (1)

где Ш - интенсивность ИЛФ на длине волны XI при угле падения х , 1(А1 - интенсивность ИЛФ при а= О".

С целью получения обобщенного уравнения, дтя корректировки лтектров ИЛФ в зависимости от угла и длины волны, была рассмотрена зависимость угловых коэффициентов а1 от дапиы волны. Эта зависимость была описана уравнением

ш(Х) = - 3.47• 10й •}. + 13.6'Ю-4 (2) Объединяя уравнения 1 и 2 имеем:

1 = Ь -((- 3.47 • 106 ■X + 13.6 ■ НИ) • а + 0.998) (3) Уравнение 3 позволяет корректировать спектры ИЛФ хлолчатни-;а, полученные при различных углах падения зондирующего луда.

Злишшс подстилающей поверхности (подложки) на характеристики ИЛФ Подстилающая поверхность (подложка), как правило, является не->бходнмым фактором при проведении как лабораторных, так и полевых □мерений ИЛФ.

Листья растений ие только поглотают, но и рассеивают падающее а них излучение, что приводит к сильной реабсорбции, то есть к пере-оглощению в окрашенной среде квантов флуоресценции, приподяще-к ослаблению в измеряемом спектре коротковолновой части Чепшстяку, 1992]. Таким образом, спектры ИЛФ, вышедшие из образа вперед и назад из-за разности оптического пути для возбужденной луоресцснцин существенно отличаются друг от друга (рис. 3).

700 750 Длина волны tiu

Рис. 3. Спектры ИЛФ хлопчатника в зависимости от.вяда подложки'. О - спектр сзади; А - спектр без подложки; А - алюминиевая фольга; *'- лист; В'- белая бумага; О - зачерненной алюминий.

Возраст1 листа дни

Рис. 4. Зависимости коэффициент ов Ken ( А ) и Ксз (.U). от возраста листа, содержания спорофилла и толщины листа. Сплошные линии -значения коэффициентов, рассчитанные по предлагаемой модели.

Ken = (1й85Л730)/(К85сп/1730сп) Ксз = (1685/ГО0)/(1б85сзЛ73Эсз)

Лазерной луч. пШ^я на йЬЬерхность листа, поглощается rtfe полностью - часть его; отркзявйй'сй от подстилающей поверхности, может снова вериугься в лист, то есть мЫ: будем одновременно наблшдать флуоресценцшо йа& с передней* поверхности листа, так а фоизедшую порез лУМ Это'может приводить к тбну, что спектры' ЙЛ'Ф'будут дешифрироваться е ошибками.

В качестве поддпккн frJu,' > гсл'еяог.?!...! t л: m4ic < '..'¿г, :ц.:еющи; высокую uip - >\ м о сио.-оо.ло- , icv а ?' ircjsi с , . ».г коэффициентом отр. сг 1. iCompaieM к'Шл"«.! Cirri; РЛ* bio. ¡дтант;:1,

nOfiyicmmít бел подложки (лист зякрешплса а. деряаггсде, в котором было проделано отверстие против падающего луча лазера).

Из спектров,- представленных па рис. 3 индно. что подложка из материала, хорошо отражающего свет (алюминии, зеркало), приводит к изменению в спектре ИЛФ по сравненнюс контролем. Эш пиижчт íiorjnr достигать 25 - 30% в.спектрально» области, ответственной за изучение ФС I. Влияние подложки с высоким коэффициентом отражения ¡о.чранкстся на расстояния до 4-5 см от листовой поверхности.

Используя теорию люминесценции для сильно рассеивающих и но--.тощающих. объектов [Паркер, 1977; Легши,.-1988], было получено аиа-1НТИЧССКОС выражение для оценки влияния подстилгиощен поверхности ta характеристики ИЛФ.

При облучении образца интенсивность .люминесценции, вышед-uéíi из лисга назад 1н евчзана с возбужденной внутри рассеивающего :5разцц. люминесценцией Li соотношением: ■ 1л ¡Сл х(1 ■ Рф)П " е "(|Kj,tK")]

1„ —......— : (4)

2(ГК„ + К„(1 - е.кяк.->))

Л интенсивность Л10минесце11ц15и, выше,lUHi.'ií из листа вперед:

1л. К» 1(1 ,-.рф) [

f„ = --------....-----------...----------- (5)

2(ГКл - К„)-(1 -trK»x») е<к>«и

■ Здесь Кя и Кв - коэффициенты поглощения лнега для спета лтамн-есценцни и возбуждающего света соответственно; Ял - толщина листа; , f, p,¡>- коэффициенты, зависящие только ог показателя преломления эссеиваюшсго образна. Для листа (п = 1,43 [Молдау, 1967; Брэидг, Та-:ева. 1967J эти коэффициенты принимают следующие значения: х = 28; f = j¿25; РФ - 0,03 (фрснелевский коэффициент отражения образ- : i).

Двукратное последовательное применение формул 4 и 5 позволяет к-считать вид кривых ИЛФ, испущенной с передней Поверхности icra, при наличии отражающей подложки.

На рис. 4 приведены результаты компьютерного моделирования

влиянии подложки на спектры ИЛФ в различные сроки вегетации, с учетом изменения толщины листа ir содержания и нем хлорофилла и данные непосредственных измерений.

Из рпс. 4 следует, что максимальные различия между спектрами наблюдается в копне срока вегетации. Это связано с увеличением концентрации хлорофилла н увеличением толщины листа.

Из вышеизложенного следует, что учет влияния подогилающеи поверхности при проведении как лабораторных, так н натурных экспериментов, путем получешш аналитических зависимостей "спектр-подстилающая поверхность", возможен, однако, требует знании о толщине л нега и содержании хлорофилла.

Суточные вариации Ш1Ф хлопчатника

Для исследования суточной динамики ИЛФ хлопчатника, последовательно, через каждые 4 часа, в течении суток снимались спектры и индукционные кривые одних н тех же листьев хлопчатника и пятикратной ггоиториостн. Одновременно измерялось содержание хлорофилла.

На рис. 5 представлены спектры ИЛФ, сформированные на 10 часов. Видно, что в течении суток спектры ИЛФ не остаются постоянными. Эти изменения затрагивают как область, отвечающую за флуоресценцию ФС I , так и область ФС П.

В период от 14 до IS часов наблюдается смещение пика ИЛФ в длинноволновую область ог 682 до 686 им. Наиболее сильные изменения наблюдаются в области.от 710 до 740 им. Максимальное увеличение интенсивности ИЛФ наблюдается в 14 и 18 часов при этом наблюдается сдвиг спектра в длинноволновую область до 9 им. Количество хлорофилла в течении суток меняется незначительно - 5-10%. В настоящее время считается, что имеется до 10 нативных форм хлорофилла, сосредоточенного как в антеннах, так и реакционных центрах фотосистем ФС1, ФС II и ССК. Для выяснения вопроса о том, какие из нативных форм хлорофилла подвергаются наибольшим изменениям, мы провели разложение спектра ИЛФ листьев хлопчатника на сумму кривых гаус-сового типа. На рис. 6 представлен пример такого разложения.

73о '.V '' 75О35СГ " " ж

■Дайна волны нм

Рис. 5. Спектры Ш№ хлопчатника, полученные и разное время суток.

А -10 часов:

+ -14 часов;

Я - ¡8 часов;

О - 22 часа;

* - 2 часа;

0 - 10 часзи.

750

500

^ 400 з

ЗоОО

200

; 100

690 730 Длина полни

Рис.6. Пгим*:р разложения спектра флуоресценции 0 8 часов) на сумму гауссовых составляющих. 1ЬтЗлюдасмые значения даны крестиками. Сплошная линия - сумма гауссор.

Суточные изменения оказались млкснм;шьш>тми для натиппых форм хлорофилла приписываемых ССК и приходились на середину дня, Эго подтвермедается анализом результатов по содержанию хлорофилла. Отношение хлорофилл /хлорофилл Ъ изменяется в течетш суток до 25%, увеличиваясь до максимального значения в 14 часов. Эго говорит о том. чю при полуденной депрессии фотосинтеза происходит

увеличение содержания ССК, та:с как весь хлорофилл Ь сосредоточен именно в нем [Пюгпег.е! а!., 1979]

Следует отметить, что эти изменения, носят не только количественный, но и качественный характер. В ССК начинают преобладать формы хлорофилла, ответственные за передачу энергии на ФС I. Вероятно это необходимо для более полного задействования ФС I. В ночное время эти формы вновь подвергаются деструкции, а возможно и трансформации [1ю ет а1., 1993], чтобы обеспечить эффективное функционирование ФСА в утренние часы, когда ССК перемещается в гранальную область тилакоида.

Суточные изменения касаются не только самих нативных форм хлорофилла, но затрагивают и ЭТЦ. Это, в частности, следует из анализа индукционных кривых (рис. 7).

10СН

Щ

н о

И й

о

и

и о р, о

& 40 О

20

: :

|Ч, :

; \\ 1

\Ч ч :

; Ч -3 ; \\\\

1 1 1 П 1 1 1 М 1 I 1 111 1 Ч_1 М 1 1 ГУ » Г-г 1 Т | Г 1 1 ■! г >■» Г 14 1-1 птг

Рис. 7. Индукционные кривые ■ ИЛФ хлопчатника

1 - 22 часа;

2 - 2 часа; 3-6 часов; 4 -10 часов;

5-14 часов;

6-18 часов;

7-10 часов.

Время сек.

Суточные кривые ИЛФ можно подразделить на два типа. Первый тип - одновершинные кривые с резким снижением пигепсигности флуоресценции, второй - двухвершинные кривые. Первые получены в ночные часы, а вторые - а дневные. В литературе отмечается, что двухвершинные кривые харчтгерны для активно синтезирующих лнепхп ср-:д-■• к«; иораста, а второй тип кривых характерен для ыодудмх лнетье;.

[Уеттаах, 1995]. В наших экспериментах использовались один и те же листья,.поэтому можно сделать вывод, что изменения в виде гпекграль-!Ю кинетических кривых могут быть связаны не только с возрастом, но и с различием в функционировании ЭТЦ в ночное и дневное время.

Из сравнения кинетических кривых видно, что максимальная активность ЭТЦ наблюдается в угрсиниочасы (скорость Р8 тушения максимальна), что можно объяснить с двух точек зрения. Во-первых, молодой фотоснитетическии аппарат, как показано во многих работах, работает значительно более активно, чем старый. Во-вторых, что продукты ассимиляции были выведены из хлоропластов в течении темного времени суток, так как известно, что избыток ассимнлянтов угнетающе действует на фотосинтез.

Следовательно, суточные изменения в спектрах люминесценции хлопчатника не являются.отражением "ненормального "физиологического его состояния по'отношению к норме. Однако вполне ясно, что их необходимо учитывать в процессе расшифровки спектров ИЛФ.

Характеристики ПЛФ в онтогенезе хлопчатника

Эксперименты, как и в предыдущих случаях, проводились на хлопчатнике сорта 108-Ф, выращенном на опытной делянке института ИФБ. Спектры ИЛФ и кинетические кривые снимались в пятикратной повторности. Измерения проводились в 9 и 14 часов дня, т.е. тогда, когда наблюдались максимальные отличия в спектрах ИЛФ, обусловленные суточными вариациями.

Из спектров, представленных на рис. 8 следует, что в процессе онтогенеза различия между изменениями спектра в 9 и 14 часов синбатны, что, очевидно, обусловлено общим характером формирования и деструкции ФСА. На.начальной стадии вегетации растений преобладают нативные формы хлорофилла, характерные для ФС II, в середине срока преимущественное развитие получают формы, ассоциированные с ФС I и ССК. В конце срока наблюдается уменьшение интенсивности полос, ответственных за ФС 1 и ССК. Это, очевидно, связано с тем, что в процессе старения листа происходит ухудшение функции восстановления ССК.

У нативных форм хлорофилла с максимумом излучения 667 ± 3,

683 х 4, 753 ± 4, 723 ± 7 им в процессе онтогенеза происходит увеличение интенсивности ИЛФ, т.е. их относительное содержание по отношению ко всем остальным формам увеличивается, а содержание форм хлорофилла 676 ± 7, 689 ± 8, 728 ± 3 нм, относительно уменьшается. Вышеперечисленные формы хлорофилла относятся к доиорным и акцепторным формам ССК. Следовательно, можно полагать, что в процессе роста лисга происходит перестройка ССК комплекса.

Особого внимания заслуживает тот факт, что в процессе онтогенеза мы наблюдали практически полное исчезновение флуоресценции от отдельных нативиых форм хлорофилла (689 ± 2, 694 ± 4, 702 ± 3, 716 ± 3, 723 ± 4, 728 ± 3, 736 + 4 tu: ). Вероятно это явление связано с тем, что в процессе онтогенеза перечисленные формы хлорофилла иретернелаюг определенные коиформацноннме изменения, т.е. есть заменяются другими. К сожалению, метод производной спектроскопии не обеспечивает надежного разрешения полос, отстоящих друг от друга менее чем на 4 нм, особенно при полуширине белее 5-6 им. Считается, что нагибных форм хлорофилла в листе существует 8-10, однако в разных работах приводятся для них различные характеристики, иным» словами фактически их получается больше. Нам представляется вполне вероятным., что это связано с тем, что при спектральном анализе исследователи использовали растительные образцы разного возраста. Очевидно, в онтогенезе превалируют те или иные формы, по разделить их практически невозможно вследствие их близости и большой полуширины. Эти фор-.мы, по нашим данным, откосятся к антенным комплексам ФС I и ФСК, и при изменении в ССК они перестраиваются таким образом, чтобы поддержать работу ФСЛ хлопчатника в оптимальном режиме. В пользу такого преднодложения говорит тот факт, что именно между ними проявляется максимальное различие в утрешше и дневные часы, т.е.. как раз в то время, когда происходит максимальное разрушение ССК.

Уменьшение содержания ССК в ФСА хлопчатника также подтверждается увеличением отношения Хл-а/Хл-b с увеличением возраста листа на фоне уменьшающегося количества хлорофилла а, что говорит о том, что при старении листа происходит относительно более быстрое уменьшение ССК, приводящее к подавлению фотосинтеза. Известно [Sarry, ¡994], что в ССК значительная доля пигментов приходится иа ксачгофипям, которые выполняют защитную функцию, и с уменьшен»*

250 г

Рис. 8. Спектры ИЛФ хлопчатника в зависимости от срока вегетации на 9 и 14 часов. А-10 сутки-вегетации; о - 20 сутки вегетации □ -50 сутки вегетации.

Ом1' ' ......■ I I II I П I I II I ■ .1?Т-Г1 » 14 1 ■ I | II I I I I I I II К I

650 700 750650 700 750 Длина волны нм

50. 40 30 20 10

Скорость тушекна ИЛФ от.ед.

/i

20 40 60 Возраст листа дгх:;

80

Рис. 9. Зависимость скорости РЯ-тушение ИЛФ от срока вегетации и времени суток. Я -9 часов; А-14часов.

ем ССК резко возрастает повреждающее действие спета.

Кривые индукции флуоресценции, отражающие функционирование фотосинтетической ЭТЦ и сопряженных процессов, с возрзст->и листа также претерпевают значительные изменения. Если на начал?-?•. т; стадиях развит:; они являются одновершинными, что, очевидно, с>:..> но с неполным развитием системы электронного траисвсрта, то в дгше вегетации они стаюпякч двухвершинными, что говорят о пол:' ■¡>■0 сфсфчгрооджой чепн !?ТЦ [Караваез и др., 1985],

О

i з

В конце срока вегетации они вновь становятся одновершинными и при этом значительно ухудшаются их параметры, характеризующие работу этц.

Известно, что скорость PS тушения характеризует величину л.сж-сисгсмиого электронного транспорта и пропорциональна скорости выделения кислорода [Климов. 1988 ]. В онтогенезе хлопчатника скорость тушения Ш1Ф уменьшается по сравнению с серединой в три раза (рис.9).

Одновременно меняется и характер суточной ритмики хлопчатника. Так, если па начальных стадиях развития, скорость PS тушения в дневные и утренние часы отличается на 22%, то в середине срока вегетации она почти не изменяется, а в конце срока эти различия достигают 100%. Известно, что существует два способа избегания фотоингибиро-вания: пространственное перемещение в тилакоидной мембране белок-пигментных комплексов [Кочубеи, 1988], в результате которого возрастает поступление энергии света в ФС I и происходит эффективная диссипация световой анергии в тепло при помощи каротиноидов, которыми богата ФС I [Ковалёв и др., 1981; Oqust, 1986]. Возрастают также безызлучатепьиые потери в ФС 11 при переходе части петров ФС 11 в фотохимически неактивную форму, что ведет к диссипации избыточной энергии возбуждения в ФС ¡1 [Weis et al., 1986; Klosson, Krauser, 1986; Крлсновекпй и др., 19S0; Young, 1996].

У хлопчатника, очевидно, могут присутствовать оба эти фактора. В начале онтогенеза, когда ФС I еще полностью не сформирована, преобладает первый фактор, в середине - первый и второй, а в конце - снова первый, так как вследствие увеличения жесткости мембран, перемещение ССК комплекса делается невозможным.

Итак, при увеличении интенсивности потока ФАР ФСА перестраивается таким образом, что на фоне снижения энергообеспечениости клетки (уменьшается скорость PS тушения) поддерживается такой уро- . веиь электронного транспорта, который обеспечивает хлоропласту и клетке защиту от фотоингибиропаняя и последующей окислительной деструкции, т.е. сохранность даже в ущерб общей эффективности фотосинтеза. '■•.■" '.'.

Проведенные нами исследования позволяют заключить, что параметры ИЛФ достоверно отражают изменения в ФСА хлопчатника в

онтогенезе, установленные в результате применения других методов. Показано, что решающая роль в подавлении фотосинтеза в онтогенезе обусловлена Необратимыми изменениям)! в ФСА хлопчатника. При оценке физиологического состояния хлопчатника следует учитывать влияние на параметры ИЛФ срока вегетации.

Применение метода ИЛФ дли оценки стрессовых состоянии хлопчатника

Основываясь на результатах исследования спектрально-кинетических характеристик ИЛФ хлопчатника в норме, нами были проведены эксперименты по изучению влияния па них различных видов стрессовых воздействий. В качестве таковых нами были выбраны дна типа воздействий: водный стресс и обработка дефолиантом.

Водный стресс создавался прекращением полива растении, ¡наращенных в теплице, а дефолиант (бутифос) применялся по стандартен методике.

Результаты экспериментов с дефолиантом представлены на рис. 10-11. Обработка бутнфосом приводит к увеличению отношения ньген-сипностей флуоресценции («лз/Ьци Ода, Ьм) интенсивность флуоресценции на длине волны 685 и 732 им. соответственно) с до 2.39 против 1,78 в контроле, что может быть связанно с разрушением более крупных длинноволновых натийпых форм хлорофилла.

Считается, что мишенью для дефолиантов, в частности, является один из участков электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтетического аппарата, что должно отражаться на кинетических характеристиках флуоресценции.

Действительно анализ индукционных кривых ИЛФ показал, что их параметры несут большую по сравнению со спектрами флуоресценции информацию о влиянии дефолианта на фотосинтетнческин аппарат хлопчатника. Изменения в индукционных кривых проявлялись улх через 9-10 часов после обработки. Это очевидно связано с тел!, что изменения в спектрах ИЛФ происходят тогда, когда появляются кодкче-сгасшше изменения в фспааттешческом аппарате, а иилукциии;:- с кривыз отражают функциональные характеристики фотосистем. Ус. иегг-кто, ".то уже <;срк> несколько часоз посла обработки ^:>'.:■<чп нчет/п ироцсесо" ИЛФ значительно снижается с-.'с-у;>г: ■

770

Рлс.10. Индукционные кривые ИЛФ листьев хлопчатника, обработанного дефолиантом. ! - контроль;' 2 - через 12 часои после обра-бочки; 3 - через 36 часов после обработки; 4 - через 84 часа после обработки.

РисЛ 1. Спектры флуоресценции листьев хлопчатника, обработанного дефолиантом (бутифос). Обозначения как на рис. 10.

■-РЗ тушения, однако на 2-3 сутки параметры индукционных кривых стремятся достичь нормы, и даже преюойти её, что очевидно связано с приспособительной реакцией на стрессовое воздействие. Наступающее вскоре резкое уменьшение скорости спада индукционных кривых (рис. 10) необратимо и заканчивается отмиранием листа.

Таким образом, метод ИЛФ может быть использован для опенки действия дефолиантов. Опадение листьев хлопчатника происходит начиная с 5-б-х суток, в то время как изменения параметров индукционных кривых проявляются уже. в конце первых суток. Следовательно, метод ЙЛФ позволяет определить эффективность обработки растений дефолиантом уже на второй-день, до появления видимых признаков развития отделительного слоя, что может иметь значение при решении вопроса о проведении повторной дефолиации.

На рис. 12 приведены четвертые производные спектров ИЛФ

Рис. 12. Производные спектрального контура ИЛФ лисп,ев хлопчатника при водном стрессе. I -листья контрольных растении. 2,3.4 -листья растений оеч полива, соответственно, через 48,72 и 96 часов.

листьев хлопчатника при водном стрессе, с периодичностью 24 часа. Видно, чго но мере развития водного стресса основные спектральные изменения происходят в области эмиссии ФС 1. У хлопчат ника нри развитии засухи отчетливо прослеживаются зри стадии структурированности спектрального''контура ИЛФ. Первая стадия (0 - 48 часов) - увеличение структурированности, носящее, по нашему мнению, компенсаторно-приспособительный характер в ответ на стрессовое воздействие. Подтверждением этому является резкое изменение коэффициентов РБ тушения ИЛФ. Втора» (48 - 72 часа) - стадия начальной деструктуриро-.ванности, отражающая, по видимому, исчерпывание защитных возможностей растения. И наконец, третья стадия - прогрессирующая деградация функционально необходимых динамических взаимодействий хлорофилловых агрегатов, составляющих фотосинтетнчесхую единицу ФС1, происходящая на фоне проявления видимых признаков увядания

и

и практическом оссутстмш какой-либо, khuctuku ИЛФ.

Наиболее огчеглипо отдельные стадии реакции растения на прекращение полива проявляются п изменении характера кинетических кривых ИЛФ. По мере обезвоживания для всех обратимых стадий ха-рл\' i ераю спрянг/кпше --перлоначолыю экспотенинальнмх. индукционных кривых. С наступлением видимых признаков засухи индукционные кривые ИЛФ полностью утрачивают кинетический характер.

Из анализа представленных результатов видно, что как дефо-л»шил так и »одиий дефицит приводят к значительным изменениям как в спектрах ИЛФ так и индукционных кривых, что очевидно говорит о возможности применения этого метода для оценки физиологического состоянии хлопчатника.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в связи с особенностями строения эпидермира листа хлопчатника интенсивность спектра флуоресценции уменьшается ¡< 2,7 раза при увеличении угла падения зондирующего излучения от 0 до W. Получена аналитическая зависимость изменения интенсивности флуоресценции от длины волны и угла падения зондирующего излучения. •

2. Установлено, что в зависимости от толщины листа, содержания хлорофилла и коэффициента отражения подстилающей поверхности происходит увеличению 'интенсивности спектра индуцированной лазером флуоресценции, от 4 до 50%, и интервале длин волн 700 - 750 им.

3. Показано, что наибольшим изменениям в течении суток подвергаются нативные формы хлорофилла светособирающего комплекса (Хдш, Хлад6, Хл692, Хл6%, Хл707, Хл704), причем пик этих изменений приходится на полуденные часы. Скорость спада индуцированной лазером флуоресценции, изменяется в течении суток в 5 раз.

4. Установлено, что в онтогенезе листа хлопчатника увеличивается соотношение между интенсивностью коротковолновой и длинно-вощювон частями спектра, которое обусловлено разной скоростью формирования светособирающего комплекса, ФС 1 и ФСИ. Отношение скорости спада индуцированной лазером флуоресценции в дневные и утренние часы, в зависимости от возраста листа, изменяется от 22% до 100%. ' . • v , : • • ' :

5. Установлено, что водный дефицит и обработка дефолиантов бутифосом приводят к значительным изменениям как в спектра* ПЛФ так и индукционных кривых, что предполагает возможность нрак-тического применения злого -метода для оценки физиологического состояния хлопчатника.

6. Разработана установка для измерения снектрально-кинеш-ческнх характеристик индуцированной лазером флуоресценции растений, позволяющая осуществлять регистрацию иидуцнровацнон /<ч-зером флуоресценции как в лабораторных, так и п полевых условиях.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО'ГЕМЕДИССЮ'ТЛЦПИ

1. Лукин Ю.Л., Агишез B.C., Берников А.Д;,, Мергеми О .С. Исследование спектрально-кинетических характеристик индуцированной лазером флуоресценции растений". // Оптика атмосферы. 1989.T.2.N 5, С.506-512

.2. Ахмеджзнов И.Г., Агишев B.C., Алиев P.P., Чечулина МЛ, Плеханова Л.С. 'Влияниекрасного света на индуцированную лазером флуоресценцию хлорофилла хлопчатника, подвергнутого действию солевого стресса.// дан.ру:- 1993,- N 8 - С. 55-57.

3. Агишез B.C., .Алиев P.P., Мусия P.Ik Исследование воздействия атмосферного загрязнения промышяешшх предприятий г. Алмалыка «а хлопчатник биохимическими и флуоресцентными методами // Оценка воздействия промышленных выбросов на наземную растительность: Тр. межгосударственной кейф.-*Ташкент, 1994. С. 1214. ' ''■■'' '■

4. Агишез B.C., Алией P.P. Применение индуциронзинон лазером фяуоргецеищт хлорофилла листьев хлопчатника для скрининга дефо-лааитол // Оценка воздействия промышленных выбросов па наземнуп раейпелькоегь: Тр. межгосударственной конф.- Ташкент, 1994. С.15-! 7.

5. Агапкз B.C., Шеяглии М.М. Кссзедовошде 1;л;::.ння па спехт-ральиыг .vposrcpacriixn индуцирование!» лазеротг флуорссцечцкк хлопчатника $тла падешш зондирующего гочучшш // Л «г. ГФ1 Л'Й гхнт РУз 25.КШ.- №59?'-Уэ96 - 12 с. ■

}. Jtt:B.C. Игсэдоваипе зависимости нарамггроа нвдуци-

)5xr.ivrr фяуоргта.^жггг ГиЬлю pncv:,-;:iii аг гкашшх фяп-■ р ■

ropón II Современные проблемы общей физиологии и биофизики: Тез. докл. науч. конф,- Тайшет, ЬУ93. С.52.

7. Агишев B.C., Ахмеджанов И.Г. Исследование эффективности фоторегуляцин усто! í ч i (ноет н хлопчатника к соленому стрессу методом индуцированной лазером флуоресценции хлорофилла // Современные н]юблсмы общей физиологии.)! биофизики: Тез. докл. науч. конф,- Ташкент, 1993. С.53.

8. Агпшеи B.C., Берников А.Д. Исследование суточного ритма индуцированной лазером флуоресценции листьев хлопчатника И Первый съезд физнологор Узбекистана: Тез.докл.-ТаЩкент, 1991. С.49

9. Агишев B.C., Лукин Ю.Л., Перникон А.Д. Применение индуцированной лазером флуоресценции лис1ьси для оценки физиологического состояния растений //Первый съезд физиологом Узбекистана: Тез. докл.-Ташкент, 1991. С.50

Ишнинг кискача мазмуни Гуза баргшшнг лазер флуоресценцияси билан индуцирланган сиектр;т-кинетнк тавсифиии тадкик килнш.

B.C. Агишев

Гуза баргининг флуоресценция лазери билан индуцирланган сиоктрал-кииетик тавсифига турли омилларнинг таьсири урпишлди.

Курсатилишича, зоидирлаигаи нурланиш бурчагининг 0 дан (50° гама ортнши билан ФЛИ спсктрннинг жэдаллнги 2,7 .марта камаядн. ФЛИ ннтенсивлигинннг туллии узунлйгига нисбатан ва зонднрланган нурланиш лаейиш бурчагининг узгариши орасидаш тахлилий бо-гликлик ашнукшди. Ани(ушнишича, кошговчи «¡атламнннг мавжудлигн ФЛИ спектри жадаллигининг 700-750 им орали^аги тул^ин узунлиги-да юза ^атламин акс armрувчи коэффициент, барпшиг калшшиш ва ялорофнллннг миг^дорнга богли^ холда 4 дан 50% гача ошишпг» олиб келадн.

Гузаиннг флуоресценция лазер» билан индуцпрлаиган спекграл-кннетик тавсифи узгарншининг суткалн динамикасн ^рганилди.

Маълум будишича, сутка давомида ССК хлорофиллшшнг (Хл™, Хл«8«, Хл«»*, Хл696, Хл707, Хл7м) натнв шаклдари нисбатан кун узгарншга учрайди ва эиг кун узгариш ку иду зги соатларга тугри келадн. Флуоресценция лазери билан индуцирланган суиишнинг PS тезлиги

сутка давомнда 34 дан 7 нисбнн бнрликка узгаради. -Туза барги онтш е-нсзнда ФЛИ спекзрннииг кис^а па узунтулцнили г^исмп ораснднгг нисбат 1,74 дан 2,28 гача узгаради.

Бу эса ССК, ФС I Da ФС 11 ларпинг шаклланипг тезлигининг iyp-лилнгн билан богаи^дир. Флуоресценция лазери бнлан нндунирлангап усимликларнннг спекзрал-кннетик тавсифнни улчаш учуй лабораторня-даги каби дала шароитида >;ам улчаш нмкониятини берувчи мослама ^•рилдн.

Summaru contents of svork Spectra! kinetic characteristics of cotton leaf fluorescence induced by laser.

' V.S. Agishev

The effect of various factors on the spectral kinetic characteristics of cotton leaf fluorescence induced by laser (LI F) was studied.

The intensity of LIF spectrum dropped as low as 2,7 times as the ang!'; of luminescence increased from 0 to 60°. An analytic relation of cham-es in L1F intensity to the wavelength and the angle of probing iuninescence was established.

Also, it was established that the presence of underlying sum I ace caused an increase in the L1F spectrum intensity from 4 to 50% within the wavelength of 700 - 750 nm, depend?;/ 'an the coefficient of surface reflection, leaf ihikness and chlorophyll efthtfiit.

A daily dynamics in changes in spectral-kinetic characteristics of cotton LIF was studied. It was revealed that native forms of chlorophyll LHC were subject to highest changes during the day, the peak of these changes taking place in the noon hours. PS speed of LIF switching changed from 34 to 7. In the cotton leaf ontogeny, the ratio between the shortwave and longwave parts of LIF spectrum Ош/lns) changes from 1.74 go 2.28 which results from different speed of LHC, PS I and PS II formation. The ratio of the speed of PS switch of LIF in the day and morning hours changes from 22% to 100%, depending on the age of a leaf. A unit has been designed to record spectral-kinetic characteristics of plant LIF, which enables recording LIF both in lab and in the field conditions.

«?>■ » ■ „ • П-Ц.^

С' Р. Подписано к печати •

;5ак.— 'Гараж //V? .199 г.

! Отпечатано в ЛИ ТШС

Упишет, Навон, 30.